พัดลม (Fan)

บทนำ

บทความนี้จะอธิบายถึงหลักการทำงาน หลักการควบคุมและการปรับปรุงประสิทธิภาพของ พัดลม (Fan)และรวมถึงแนวทางในการอนุรักษ์พลังงานในระบบดังกล่าว เพื่อเป็นการลดต้นทุนในการผลิต ในที่นี้จะศึกษาถึง ประเภท หลักการทำงาน คุณลักษณะ และสมรรถภาพของพัดลม รวมทั้งวิธีการควบคุมที่ถูกต้อง และแนวทางการอนุรักษ์ในระบบต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง

1. ประเภทและหลักการทำงานของพัดลม
(TYPE AND PRINCIPLE OF OPERATION OF FAN)

มาตรฐาน JIS กำหนดไว้ว่า พัดลมที่มีแรงดันลมต่ำกว่า 1,000 (mm-น้ำ) เรียกว่า พัดลม (fan) ส่วนพัดลมที่มีแรงดันลมตั้งแต่ 1,000 (mm-น้ำ) ขึ้นไป แต่ไม่ถึง 10 (m-น้ำ) (0.1 MPa) เรียกว่า โบลเวอร์ (blower) ทั้งสองชนิดเรียกรวมๆ กันว่า พัดลม

พัดลมมีหลายชนิด ตามขนาดอัตราไหลและความดันของของไหลที่ลำเลียง และตามวัตถุประสงค์การใช้งานดังตาราง 1 แบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้เป็นแบบ centrifugal ซึ่งทำงานด้วยการให้แรงหนีศูนย์กลางให้เกิดกระแสในทิศทางตั้งฉากกับแกน แบบ axial flow ซึ่งสร้างกระแสของไหล (อากาศ) ในทิศทางเดียวกับเพลา แบบ cross flow ซึ่งมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างทั้งสองแบบข้างต้น และแบบอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เพื่อสามารถติดตั้งและเชื่อมต่อกับท่อต่างๆ ได้สะดวก พัดลมแบบ centrifugal บางครั้งดูภายนอกแล้วจะมีลักษณะเหมือนกับแบบ axial flow โดยทั่วไปพัดลมแบบ axial flow จะเหมาะกับความดันต่ำ-อัตราไหลสูง ส่วนแบบ centrifugal จะเหมาะกับความดันสูง

ตารางที่ 1 ประเภทของพัดลม

อย่างไรก็ตาม พัดลมแบบ axial flow ที่สามารถรองรับความดันได้พอสมควร และแบบ centrifugal ที่รองรับอัตราไหลได้พอสมควรก็พอมีอยู่ พัดลมแบบ multi-blade บางครั้งก็เรียกว่าพัดลมแบบ sirocco นิยมใช้กันมากที่สุดกับการปรับอากาศและระบายอากาศ

การจำแนกพัดลมสามารถแบ่งได้เป็นประเภทใหญ่ๆ ตามลักษณะการเคลื่อนที่ของอากาศได้ 2 ลักษณะดังนี้

(1) พัดลมแบบหมุนแรงเหวี่ยง (Centrifugal flow or radial fans)

(2) พัดลมแบบไหลตามแนวแกน(Axial flow fans)

(1) พัดลมแบบหมุนแรงเหวี่ยง (Centrifugal flow or radial fans)

พัดลมแบบแรงเหวี่ยงหรือพัดลมซึ่งมีการไหลของอากาศในแนวรัศมี จะประกอบด้วยใบพัดหมุนอยู่ภายในตัวเรือนของพัดลม (Fan house) ชุดใบพัดจะประกอบด้วยแผ่นใบเล็กๆประกอบเข้าด้วยกันเป็นลักษณะกงล้อ ความดันของอากาศจะถูกทำให้มีค่าสูงขึ้นภายในตัวเรือนของพัดลม ซึ่งสามารถเพิ่มค่าให้สูงขึ้นได้ด้วยการเพิ่มขนาดความยาวของใบพัด ซึ่งจะทำให้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางภายในระบบมีค่ามากขึ้น อากาศจะไหลผ่านเข้าไปในท่อทางเข้าโดยมีทิศทางขนานกับแกนของใบพัด และไหลออกในทิศทางตั้งฉากกับแกนของเพลาใบพัดในท่อทางออก พัดลมประเภทนี้จำแนกตามลักษณะรูปร่างของใบพัดเป็น 3 แบบ คือ

(1.1) แบบใบพัดตรง (Straight blade หรือ Radial fans)

พัดลมชนิดนี้มีจำนวนใบน้อยที่สุดประมาณ 6 ถึง 20 ใบ และใบพัดจะอยู่ในระนาบรัศมีจากเพลา ใบพัดหมุนด้วยความเร็วรอบอย่างต่ำประมาณ 500-3000 รอบ/นาที ดังนั้นจึงเหมาะกับงานที่ต้องการปริมาตรการไหลน้อยๆ และมีค่าความดันของอากาศสูงๆ

(1.2) แบบใบพัดโค้งไปข้างหน้า (Forward curved blade fans)

พัดลมชนิดนี้จะมีใบพัดโค้งไปข้างหน้า ในทิศทางเดียวกับการหมุนชุดใบพัดจะมีจำนวนแผ่นใบพัดประมาณ 20 – 60 ใบ ชุดใบพัดจะมีลักษณะคล้ายกับกรงกระรอก (Squirrel cage) เพลาใบพัดจะมีขนาดเล็กหมุนด้วยความเร็วรอบที่สูงกว่าพัดลมชนิดใบพัดตรง การทำงานของพัดลมชนิดนี้มีเสียงเบาที่สุด มีข้อเสียคือมีโอกาสที่มอเตอร์จะทำงานเกินกำลังและมีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่เสถียร ดังนั้นจึงไม่ควรใช้กับงานหรือระบบที่มีอัตราการไหลของอากาศเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา พัดลมชนิดนี้จะให้ค่าความดันลมและอัตราการไหลของอากาศสูงที่สุด

(1.3) แบบใบพัดโค้งไปข้างหลัง (Backward curved blade fans)

พัดลมชนิดนี้จะมีใบพัดเอียงไปข้างหลัง ในทิศทางตรงกันข้ามกับทิศทางการหมุนของใบพัด จะมีจำนวนใบพัดประมาณ 10 –50 ใบ และเป็นพัดลมที่มีความเร็วรอบสูง ไม่ก่อให้เกิดเสียงดังเกินควร ไม่มีลักษณะที่มอเตอร์จะทำงานเกินกำลัง และไม่มีช่วงการทำงานที่ไม่เสถียร เหมาะที่จะใช้งานระบายอากาศและอากาศที่ใช้ต้องสะอาดด้วย เนื่องจากสามารถที่จะควบคุมความดันและปริมาณลมได้ง่าย พัดลมชนิดนี้จะมีราคาสูงกว่าชนิดอื่นๆเมื่อเทียบขนาดเท่ากัน

รูปที่ 1 แสดงการไหลของอากาศผ่านตัวพัดลมแบบหมุนเหวี่ยง

รูปที่ 2 แสดงพัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า

รูปที่ 3 แสดงพัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหลัง

(2) พัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกน (Axial flow fans)

พัดลมแบบนี้อากาศจะไหลขนานกับแกนของใบพัด และตั้งฉากกับระนาบการหมุนของใบพัด ชุดใบพัดจะถูกติดตั้งบนแกนเพลาขับของมอเตอร์ต้นกำลัง ซึ่งอยู่ภายในตัวพัดลม ทำให้มอเตอร์สามารถระบายความร้อนออกไปกับอากาศที่ถูกขับเคลื่อน พัดลมชนิดนี้มีราคาถูก การทำงานของพัดลมมีเสียงดังและมีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่เสถียร จึงเหมาะกับงานระบายอากาศ มีขนาดเล็ก เคลื่อนย้ายง่าย สามารถแบ่งได้ 2 ลักษณะคือ

(2.1) พัดลมที่ให้ลมหมุนเป็นเกลียว (Tube axial fans)

(2.2) พัดลมที่ให้ลมไหลในแนวเส้นตรง (Vane axial fans)

(2.1) พัดลมที่ให้ลมหมุนเป็นเกลียว (Tube axial fans)

พัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกนชนิดนี้ มีโครงสร้างประกอบด้วยชุดใบพัดซึ่งหมุนอยู่ภายในท่อรูปทรงกระบอก ลมที่ถูกขับเคลื่อนให้ผ่านชุดใบพัดจะหมุนเป็นเกลียว มีลักษณะการไหลแบบปั่นป่วน พัดลมชนิดนี้ให้ค่าความดันลมปานกลาง

รูปที่ 4 แสดงพัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกนชนิด Tube axial fans

(2.2) พัดลมที่ให้ลมในแนวเส้นตรง (Vane axial fans)

พัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกนชนิดนี้ จะมีแผ่นครีบเพื่อใช้ในการบังคับการไหลของอากาศ ที่ถูกขับเคลื่อน ติดตั้งอยู่ภายในตัวเรือนของพัดลม บริเวณท่อทางออกบริเวณด้านหลังชุดใบพัด เพื่อช่วยให้การไหลของอากาศที่ถูกขับเคลื่อน มีทิศทางเป็นเส้นตรงมากที่สุด ซึ่งจะช่วยลดลักษณะการไหลของอากาศปั่นป่วนลดลง และลดพลังงานสูญเสียเนื่องจากการไหลของอากาศปั่นป่วนภายในระบบให้น้อยลง ทำให้ประสิทธิภาพการใช้งานและราคาสูงกว่าพัดลมชนิด Tube axial fans

รูปที่ 5 แสดงพัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกนชนิด Vane axial fans

2. คุณลักษณะและสมรรถนะการทำงานของพัดลม
(CHARACTERISTICS AND PERFORMANCE OF FAN)

ขณะที่พัดลมทำงาน จะทำให้อากาศเกิดการเคลื่อนที่ได้ด้วยค่าความดันต่างที่เกิดขึ้น เมื่ออากาศเคลื่อนที่ออกไประยะทางที่เพิ่มมากขึ้น จะทำให้ความดันลดลง ถ้านำค่าความดันในช่วงต่างๆ มาเขียนกราฟเทียบกับอัตราการไหลของอากาศที่ได้ในช่วงความดันนั้นๆ ถ้าค่าความดันดังกล่าวเป็นค่าความดันรวมของระบบ เมื่อนำค่าความดันรวมที่ลดลงของระบบมาหักออกจากค่าความดันความเร็ว จะได้กราฟอีกเส้นซึ่งแสดงถึงความดันสถิตของระบบ เราสามารถนำกราฟดังกล่าวไปใช้ในการเลือกจุดทำงานที่เหมาะสมที่ของพัดลมชนิดนั้นได้

รูปที่ 6 แสดงการหาจุดทำงานของพัดลมที่เหมาะสมจากกราฟคุณลักษณะ
ของระบบพัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหลัง ขนาด 27 นิ้ว ที่ 1,080 รอบต่อนาที

เนื่องจากปริมาณอากาศที่ได้จากพัดลมตามที่กำหนดจากผู้ผลิต ปกติแล้วได้จากการทดสอบ ณ สภาวะแวดล้อมมาตรฐาน เช่น ที่อุณหภูมิ 15 °C ความกดดันบรรยากาศแวดล้อมเท่ากับ 1 บาร์ และความสูงเทียบเท่ากับระดับน้ำทะเล ปานกลาง เป็นต้น ซึ่งสภาวะดังกล่าวอาจแตกต่างจากสภาวะจริงที่ติดตั้งใช้งาน จึงทำให้สภาวะการใช้งานไม่เป็นไปตามข้อกำหนด

เนื่องจากสมรรถนะของพัดลมจะแปรผันตามการเปลี่ยนแปลงของสภาวะแวดล้อมต่างๆ อาทิ อุณหภูมิ ความเร็วรอบ และความหนาแน่นของอากาศ ดังนั้น The Air Moving and Condition Association (AMCA) จึงได้พัฒนามาตรฐานการทดสอบพัดลมขึ้นและได้ทำการทดสอบเพื่อหากราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดต่างๆ ดังนี้

• • พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า (Forward curved blade fans)

รูปที่  7 แสดงสมรรถนะของพัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า

จากรูปที่ 7 แสดงให้เห็นว่า เมื่อเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างมีค่าสูงขึ้นจะทำให้ค่ากำลังงานที่ป้อนให้เพลา ของพัดลมมีค่าสูงขึ้นตามไปด้วย ซึ่งมีผลทำให้มอเตอร์ของพัดลมทำงานเกินกำลังในขณะที่ความต้านทานของระบบมีค่าลดลง ดังนั้น จึงไม่ควรใช้พัดลมชนิดนี้กับระบบที่มีอัตราการไหลของอากาศเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ช่วงที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของพัดลมชนิดนี้คือ ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างประมาณ 30 – 50 % ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมมีค่าประสิทธิภาพสูงสุด เส้นกราฟค่าความดันสถิตจะมีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่มีความเสถียรภาพคือช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างในช่วงไม่เกิน 40 % ดังนั้นจึงไม่ควรใช้ปริมาตรที่เปิดกว้างให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนของพัดลมในช่วงนี้

• • พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหลัง (Backward curved blade fans)

 รูปที่ 8 แสดงกราฟสมรรถนะของพัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดโค้งไปข้างหลัง

จากรูปที่ 8 จะเห็นได้ว่าช่วงที่เหมาะสม สำหรับการทำงานของพัดลมชนิดนี้ คือ ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนของพัดลม มีค่าประมาณ 50 – 65 % ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงสุด ค่าประสิทธิภาพของพัดลมจะมีค่าสูงสุดเมื่อใช้กำลังงานในการขับเพลาของพัดลมสูงด้วยเช่นกัน พัดลมชนิดนี้จะไม่มีลักษณะที่มอเตอร์จะทำงานเกินกำลังและไม่มีช่วงการทำงานของพัดลมที่ไม่มีเสถียรภาพ

• • พัดลมแบบหมุนเหวี่ยงชนิดใบพัดตรง (Straight curved blade fans)

กราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดนี้ จะเหมือนกับกราฟสมรรถนะของพัดลมชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า กล่าวคือเส้นกราฟกำลังงานของพัดลมจะมีค่าสูงขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าค่าความดันของระบบจะลดลงก็ตาม แต่ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านตัวเรือนพัดลมชนิดนี้จะมีค่าต่ำกว่าพัดลมชนิดใบพัดโค้งไปข้างหน้า

• • พัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกน (Axial flow fans)

รูปที่ 9 แสดงกราฟสมรรถนะของพัดลมแบบอากาศไหลตามแนวแกน

จากรูปที่ 9 จะเห็นว่าเส้นกราฟของเฮดสถิตและเฮดรวมของพัดลมชนิดนี้จะลดลงและเพิ่มขึ้น ในช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรเปิดให้อากาศเข้าสู่ตัวเรือนพัดลมมีค่าอยู่ประมาณ 30 – 50 % ถ้าพัดลมชนิดนี้ทำงานอยู่ในช่วงดังกล่าวจะก่อให้เกิดความไม่เสถียรภาพขึ้นภายในระบบ และช่วงที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของพัดลมก็คือ ช่วงเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรที่เปิดกว้างประมาณ 55 – 75 % ซึ่งจะทำให้การทำงานของพัดลมมีประสิทธิภาพสูงสุด สามารถขับเคลื่อนอากาศได้ปริมาณที่มาก และใช้กำลังงานในการขับเลื่อนไม่มากจนเกินไป เส้นกราฟการทำงานของพัดลมจะค่อนข้างแบนราบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในช่วงการทำงานที่มีค่าเปอร์เซ็นต์ของปริมาตรเปิดกว้างประมาณ 40 % นั่นคือกำลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนพัดลมภายในช่วงดังกล่าวจะมีค่าค่อนข้างคงที่

กฎการแปรผันและกฎความคล้ายของพัดลมและปั๊ม

อัตราไหลของของไหลจะแปรผันตามความเร็วรอบของพัดลม ความดันสูญเสียในท่อลมและท่อน้ำที่ต่ออยู่กับพัดลม จะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วของกระแส (ความเร็ว) นั่นคือ แปรผันตามอัตราไหลกำลังสองนั่นเอง ดังนั้น หากความเร็วรอบเปลี่ยนแปลง ความดันจะแปรผันตามกำลังสองของความเร็วรอบ และกำลังขับเพลาจะแปรผันตามกำลังสามของความเร็วรอบตาม ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎการแปรผัน ซึ่งแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

ในสูตรข้างต้น V1, V2 แทนอัตราไหล n1, n2 แทนความเร็วรอบ P1, P2 แทนความดัน W1, W2 แทนกำลังขับเพลา

นอกจากนี้ เมื่อเดินเครื่องพัดลมที่มีลักษณะคล้ายกันภายใต้สภาวะที่คล้ายกัน (เช่น จุดที่มีประสิทธิภาพสูงสุด) และสมมติว่าประสิทธิภาพของพัดลมเท่าเดิมแล้ว การไหลภายในปั๊มทั้งหมดจะมีลักษณะคล้ายกัน โดยความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลาง D ความเร็วรอบ n กับอัตราไหล ความดัน และกำลังขับเพลาจะคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้ซึ่ง เรียกว่า กฎความคล้ายของพัดลม

กฎการแปรผันและกฎความคล้ายบอกเราว่าหากเรามีพัดลมที่มีกำลังมากเกินไป (มีขนาดใหญ่เกินไป) ไม่เพียงแต่การลดขนาดท่อลมเพื่อให้เกิดแรงต้านมากขึ้นเท่านั้น แต่หากเราเปลี่ยนขนาดของพัดลม (ใบพัด) หรือความเร็วรอบ ก็สามารถลดการใช้พลังงานลงอย่างมีประสิทธิผลอีกด้วย วิธีการนี้เป็นกลวิธีอนุรักษ์พลังงานที่สำคัญอย่างหนึ่งในการเลือกใช้หรือดัดแปลงอุปกรณ์ที่ทำงานด้วยของไหล

3. การควบคุมการทำงานของพัดลม (OPERATION CONTROL OF FAN)

ระบบปรับอัตราการไหลของพัดลมให้เหมาะสมกับภาระการใช้งาน เรียกว่า ระบบปริมาตรอากาศแปรผัน (VAV : Variable Air Volume)
วิธีการควบคุมอัตราการไหลแปรผัน

1. การควบคุมแดมเปอร์ขาออก-วาล์วขาเข้า
2. การควบคุมความเร็วรอบ
3. การควบคุม rotor blade
4. การควบคุม stationary blade
5. การควบคุมจำนวนเครื่อง (กรณีที่เดินเครื่องขนานหรืออนุกรม)
6. การควบคุมบายพาส

รูปที่ 10 วิธีการควบคุมอัตราการไหลหลายๆ แบบ

(1) วิธีการเลือกระบบการขับเคลื่อนของพัดลม

ในกรณีที่ไม่จำเป็นต้องปรับปริมาณลม การเดินเครื่องด้วยความเร็วคงที่ก็เพียงพอแล้ว ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสแบบกรงกระรอก สำหรับพัดลมที่มีขนาดปานกลางและขนาดใหญ่ ก็จะใช้มอเตอร์ซิงโครนัสที่มีเพาเวอร์แฟกเตอร์และประสิทธิภาพสูงกว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำ ในกรณีนี้จะมีปัญหาตอนสตาร์ทเครื่องเท่านั้น ในรูป 11 ได้แสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะความเร็ว-แรงบิด ภายใต้เงื่อนไขที่ปิดวาล์วขาเข้า แต่เปิดวาล์วขาออกและวาล์วบายพาส แต่ในพัดลม axial flow จะใช้วิธีเปลี่ยนมุมใบพัดแปรผัน จากรูปนี้ จะเห็นว่าแรงบิดตอนสตาร์ทเครื่องจะไม่เป็นปัญหา

โดยทั่วไปแล้วพัดลมแบบเทอร์โบจะให้ปริมาณลมมาก และเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดก็จะมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย ดังนั้น เมื่อเทียบกับภาระอื่นๆ แล้ว โมเมนต์ความเฉื่อยจะมีค่าสูงกว่ามาก ซึ่งหากสตาร์ทมอเตอร์เหนี่ยวนำ 3 เฟสแบบกรงกระรอกด้วยวิธีจ่ายแรงดันไฟฟ้าเต็มที่ (full-voltage starting) สุดท้ายแล้ว ความร้อนที่เทียบเท่าพลังงานขับเคลื่อนที่สะสมในโมเมนต์ความเฉื่อยจะเกิดขึ้นที่ขดลวดโรเตอร์ ดังนั้น จึงจำเป็นที่จะต้องพิจารณาว่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของขดลวดกรงกระรอกจะมีปัญหาหรือไม่
ในกรณีที่ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟสตาร์ทเครื่องในปริมาณมากได้ หรือในกรณีต้องสตาร์ทเครื่องบ่อยๆ จะใช้มอเตอร์เหนี่ยวนำแบบโรเตอร์พันขดลวด แต่ถ้าหากเดินเครื่องมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอกด้วยความเร็วแปรผันโดยใช้อินเวอร์เตอร์ ก็จะทำให้ปัญหาในตอนสตาร์ทเครื่องหมดไป และยังมีประสิทธิภาพในการอนุรักษ์พลังงานอย่างมากอีกด้วย ดังนั้น ในระยะหลังนี้ จึงมีการนำการขับเคลื่อนด้วยความเร็วแปรผันโดยใช้อินเวอร์เตอร์มาใช้ในการสตาร์ทเครื่อง และในการเดินเครื่องปกตินั้น จะสลับเอาไฟฟ้าของการไฟฟ้ามาจ่ายใช้งานต่อไป

ในการปรับปริมาณลม ทำได้ด้วยกลไกเชิงกล เช่น ระบบ variable pitch airfoil และด้วยการควบคุมความเร็ว การใช้กลไกนั้นจะมีราคาถูกแต่หากใช้งานในช่วงกว้างจะทำให้ประสิทธิภาพการส่งลมลดลงในระยะหลัง จากที่มีเป้าหมายการประหยัดไฟฟ้า ทำให้มีการนำระบบควบคุมแบบที่ใช้อินเวอร์เตอร์ที่มีคุณภาพสูงมาใช้ในเครื่องระบายอากาศ ดักฝุ่น เครื่องส่งและระบายอากาศในอุโมงค์ชนิดต่างๆ
การขับพัดลมและโบลเวอร์ขนาดกลางและขนาดใหญ่ด้วยความเร็วไม่คงที่ด้วยกระแสสลับ ได้นำมาใช้เป็นผลดีในช่วงที่เกิดวิกฤตน้ำมันในยุคปี 1970 โดยริเริ่มการใช้ thyristor inverter ในปัจจุบัน อินเวอร์เตอร์ที่มีราคาต่ำ มีขนาดเล็ก แต่มีความสามารถสูงนั้น ได้ถูกผลิตขึ้นจากการพัฒนาด้าน power electronics และการเดินเครื่องด้วยความเร็วแปรผันที่ได้นำเอาข้อดีของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอกมาใช้ ก็มีแนวโน้มว่าจะเป็นที่แพร่หลายได้อย่างรวดเร็ว โดยเริ่มจากพัดลมและโบลเวอร์ ขนาดกลางและขนาดใหญ่ซึ่งมีประสิทธิภาพในการอนุรักษ์พลังงาน สูงจนถึงที่มีขนาดเล็ก

รูปที่ 11 คุณลักษณะความเร็ว-แรงบิด ภายใต้เงื่อนไขที่ปิดวาล์วขาเข้า แล้วเปิดวาล์วขาออกและวาล์วบายพาส

4. แนวทางการอนุรักษ์พลังงานในพัดลม
(GUIDELINE FOR ENERGY CONSERVATION IN FAN)

จุดที่ต้องมีการตรวจสอบในการอนุรักษ์พลังงานในระบบพัดลม มีดังต่อไปนี้

- พัดลมจ่ายลมออกไปในปริมาณที่มากกว่าที่จำเป็นต้องใช้หรือไม่
- พัดลมเดินเครื่องที่ประสิทธิภาพสูงหรือไม่
- กรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณลม พัดลมยังคงที่สมรรถนะที่ดีแม้ในช่วงปริมาณลมน้อยๆ หรือไม่
- วิธีควบคุมปริมาณลมมีประสิทธิภาพสูงสอดคล้องกับความต้องการของโรงงานหรือไม่
- ในเรื่องความต้านทานของท่อ ความเร็วลมสูงเกินไปหรือไม่ มีความต้านทานที่ไม่จำเป็น เช่น มีท่องอมากเกินไปหรือไม่

ประเด็นสำคัญในการอนุรักษ์พลังงานในพัดลม

1. การลดปริมาณลม – ความดันให้เหมาะสมกับที่ภาระต้องการ
2. การควบคุมการเดินเครื่องให้เหมาะสมกับการเปลี่ยนแปลงปริมาณที่ภาระต้องการ

ปัญหาเฉพาะตัวพัดลม ได้แก่

1. การเลือกใช้พัดลมที่มีประสิทธิภาพสูงและมีคุณลักษณะเหมาะกับการใช้งาน
2. ไม่มีฝุ่นละอองสะสมที่ตัวถังและใบพัดที่ทำให้การไหลของกระแสอากาศลดลง
3. ลดการรั่วไหลจาก Labyrinth seal ของ shaft seal และ balance disk

(1) การอนุรักษ์พลังงานโครงการใช้พัดลมให้สอดคล้องกับภาระ

(1.1) เมื่อปริมาณลมที่ต้องการลดลงและมีการเปลี่ยนแปลงน้อย

หากวางแผนเผื่อไว้มากไปและต้องการลดปริมาณลมเนื่องจากการลดกำลังการผลิต หากใช้วิธีปรับด้วยแดมเปอร์ขาออกจะทำให้การเดินเครื่องมีกำลังขับสูญเสียสูง วิธีการแก้ไขในกรณีนี้ คือ ลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดเปลี่ยนไปใช้ใบพัดที่มีขนากเล็กลง ลดจำนวนชั้นของโบลเวอร์แบบหลายชั้น ปรับมุมใบพัดของพัดลมแบบ axial flow

(1.2) เมื่อปริมาณลมที่ต้องการมีการเปลี่ยนแปลง

- หรี่แดมเปอร์ขาออก (กำลังขับจะเลื่อนไปตามเส้นกราฟกำลังขับเพลาเท่านั้น)
- การควบคุม vane ขาเข้า (ความสิ้นเปลืองกำลังขับจะต่ำกว่าการควบคุมแดมเปอร์)
- ควบคุมจำนวนเครื่อง (กรณีที่เดินเครื่องพัดลมขนานกันหลายตัว หากลดจำนวนเครื่องที่เดินให้สอดคล้องกับปริมาณลม จะทำให้พัดลมแต่ละเครื่องมีประสิทธิภาพต่ำลงไม่มาก)
- ควบคุม variable pitch ของ moving blade ของพัดลม axial flow (สามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงในการช่วงปริมาณลมกว้าง)
- ควบคุมความเร็วรอบ

(2) วิธีตรวจวิเคราะห์เพื่ออนุรักษ์พลังงาน

(2.1) ตรวจสอบเส้นกราฟสมรรถนะ – กรณีที่เป็นพัดลมรุ่นเก่าให้สำรวจว่ามีพัดลมที่มีสมรรถนะสูงกว่าหรือไม่
(2.2) กรณีที่พัดลมมีความสามารถสูงเกินไป มีการหรี่แดมเปอร์หรือวาล์วในท่อหรือไม่
(2.3) ก่อนและหลังพัดลมมีท่อโค้งที่ทำให้มีความดันสูญเสียเพิ่มขึ้นหรือไม่
(2.4) ความเร็วลมในท่อมีค่าสูงเกินไปทำให้ความต้านทานของท่อมีค่าสูงหรือไม่
(2.5) มีอากาศรั่วออกมาจากท่อหรือ flange หรือไม่
(2.6) ไส้กรองอากาศอุดตัน มีฝุ่นละอองเกาะอยู่ในท่อลม ในตัวถัง และในใบพัดหรือไม่
(2.7) มีความสูญเปล่าหรือไม่ เช่น จ่ายลมในขณะที่ไม่จำเป็น เดินเครื่องขณะที่ปิดปากทางออกอยู่ เป็นต้น

(3) การประหยัดพลังงานโดยการควบคุมความเร็วของพัดลม

ในการปรับเปลี่ยนปริมาณลมและกำลังอัดที่ต้องการนั้น เดิมที ใช่วิธีการปรับแดมเปอร์ แต่ในปัจจุบันมักใช้วิธีการควบคุมความเร็วแทนแดมเปอร์ ในการควบคุมปริมาณลมและความดัน ซึ่งจะทำให้สามารถอนุรักษ์พลังงานได้อย่างมาก รูป 12 เป็นรูปที่แสดงถึงหลักการข้างต้น ในกรณีที่ใช้วิธีปรับแดมเปอร์ให้แคบขึ้น จะมีผลต่อเส้นกราฟความต้านทานการส่งลม จุดการทำงานของพัดลม จะเลื่อนไปที่จุดตัดจุดไหน ในขณะที่ เมื่อใช้วิธีเปลี่ยนแปลงความเร็ว เส้นกราฟความต้านทานการส่งลมจะไม่เปลี่ยนแปลง จุดทำงานของพัดลมจะเลื่อนไปอยู่ที่จุดตัดระหว่างค่าอัตราไหลที่ต้องการกับเส้นกราฟความต้านทาน หลักการเหล่านี้ จะเหมือนกับกรณีของปั๊ม แต่สำหรับปั๊มนั้น เนื่องจากเป็นเฮดจริง จึงมีจุดความเร็วต่ำสุด แต่ในพัดลมนั้นจะไม่มีจุดความเร็วต่ำสุด ทำให้มีประสิทธิภาพในการอนุรักษ์พลังงานสูง

รูปที่ 12 เปรียบเทียบการควบคุมแดมเปอร์กับการควบคุมความเร็วในการปรับเปลี่ยนอัตราการไหล

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน. (2004). ตอนที่ 4 บทที่ 1 ระบบอัดอากาศ ปั๊มน้ำ และพัดลม. In ตำราฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส (ผอส.) ด้านความร้อน (pp. 1-1 - 1-72).